廈門大學的研究人員開發(fā)了一個單光子拉曼激光雷達系統(tǒng),它可以在水下操作,遠程識別各種物質。

石油能源的運輸主要途徑是密布海底的輸油管道，為了保護海洋環(huán)境，檢測水下輸油管道是否存在泄漏是一個重大課題。

據(jù)《激光制造網》了解，近日，廈門大學宣布開發(fā)出了一個新的單光子拉曼激光雷達系統(tǒng)，這是一款更緊湊、更節(jié)能的激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在惡劣的海底環(huán)境中操作使用，遠程識別石油和其它物質。將激光雷達系統(tǒng)集成到自主水下航行器中將使該設備更容易檢查深層管道，還可以探測沉積物類型和勘探海洋資源。

該研究團隊發(fā)表在《應用光學》的一篇論文稱，傳統(tǒng)的拉曼激光雷達系統(tǒng)依靠增加激光功率和望遠鏡孔徑來實現(xiàn)遙感探測,這導致了大系統(tǒng)尺寸和大功率消耗,使得激光雷達系統(tǒng)很難與水下飛行器相結合。利用單光子探測技術使這項工作成為可能。

盡管激光雷達的遙感能力通常與大氣應用相關，從農業(yè)測量到自動駕駛汽車，但科學家們也一直致力于探索光子傳感技術的發(fā)展,將其作為通往更加通用的海洋激光雷達平臺的途徑,以將其能力擴展到水下環(huán)境領域。傳統(tǒng)激光雷達系統(tǒng)的探測深度有限,特別是在惡劣的海洋環(huán)境中，但是拉曼激光雷達探測彈性反散射光和特定分子的拉曼信號,可以在不同深度使用,且不受海洋條件的影響。

在2023年5月，赫里奧特-瓦特大學就曾宣布一種基于皮秒分辨率時間相關單光子計數(shù)的替代激光雷達設備，據(jù)說由于該架構允許增強的靈敏度，該設備適合水下使用。

據(jù)廈門大學的研究團隊介紹,他們的雷達設備長40厘米,直徑20厘米,可承受水下1公里的運行條件。

在測試演示中,新的激光雷達系統(tǒng)被用來檢測距離雷達系統(tǒng)幾米遠的石英電池中的不同厚度的汽油。激光雷達系統(tǒng)和石英電池都被淹沒在一個巨大的水池中,深度為0.6米。在這些概念驗證試驗中,激光雷達系統(tǒng)能夠檢測和區(qū)分1到15毫米范圍內的汽油厚度。

“由于單光子的敏感性，用脈沖能量為1微焦耳的激光器和直徑為22.4毫米的望遠鏡實現(xiàn)了對水下石油相對較弱的拉曼背向散射信號的探測，”研究團隊在論文中指出，“進行了一次實驗演示，獲得了不同厚度的水下石油的距離分辨拉曼背向散射，距離達12米?！?/p>

研究人員現(xiàn)在正致力于增加單光子激光雷達系統(tǒng)的探測通道和拉曼光譜分辨率,以提高其鑒別水中不同物質的能力。這將使其能夠用于分析水下氣泡的類型，以及檢測珊瑚和錳結核礦物質。